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How to cite this paperAn. 5. Enc. Energ. Meio Rural 2004
Generacion de energía eléctrica a partir de la gasificación de biomasa
J. RuizI; J. ArauzoI; Alberto GonzaloI; José Luis SánchezI; J.D. RochaII, III; J.M. Mesa PérezIII, IV
IGrupo de Procesos Termoquímicos (GPT), Instituto de Investigación de Aragón (I3A). Universidad de Zaragoza. María de Luna, 3. E-50018 Zaragoza (Spain)
IINúcleo Interdisicplinar de Planejamento Energético, NIPE/UNICAMP
IIIBioware Tecnologia, www.bioware.com.br, Campinas, SP, Brasil
IVFaculdade de Engenharia Agrícola, FEAGRI/UNICAMP
RESUMEN
Se han realizado ensayos de gasificación con aire, utilizando para ello un gasificador de tipo Downdraft de una capacidad de procesado de unos 250 kg/h de biomasa. Las biomasas utilizadas han sido cáscara de almendra y poda de olivo. Los resultados obtenidos muestran un comportamiento similar en cuanto al gas generado por las dos biomasas. Una fracción del gas obtenido en la gasificación se ha alimentando a un grupo motogenerador de pequeña potencia (4 kVA de potencia nominal) previo un proceso de limpieza de dicho gas mediante un lavador húmedo y un condensador, para eliminar productos condensables. El motor se ha mostrado estable en su funcionamiento y, sin efectuar ninguna modificación en el mismo, los valores de potencia obtenidos se han acercado a los obtenidos con combustibles convencionales como gasolina o butano comercial
Palabras clave: Gasificación, biomasa, reactor Downdraft, electricidad
ABSTRACT
Gasification experiments have been carried out with a atmospheric pressure downdraft gasifier of a capacity of 250 kg/h of biomass. Biomass used have been almond shells and olive cut. Results obtained show a similar behaviour in gas composition with two biomass. A small fraction of the generated gas from the gasifier has been fed to a small generator of 4 kVA. The gas has been previously cleaned and dried by means of a scrubber and a condenser, to remove tar products. The generator has been operated with a great stability without any modification, and energy generated with gas from gasification are relatively close to the values obtained with conventional fuels such as gasoline or commercial butane.
1. Introducción
Para llevar a cabo este trabajo se ha utilizado un equipo existente de gasificación con aire, un reactor de tipo downdraft a presión atmosférica, con una capacidad de procesamiento de 250 kg/h de biomasa (García y cols. 1994. Los gases obtenidos en este equipo son sometidos a un proceso de limpieza para la eliminación de partículas mediante un ciclón y un enfriamiento mediante un intercambiador que permite precalentar además el aire de gasificación que se alimenta al equipo.
El gasificador se alimenta con aire a presión atmosférica proveniente de una soplante capaz de suministrar hasta 450 Nm3/h equipada con un variador de velocidad para obtener distintos caudales de aire de alimentación al gasificador. Para el control de las condiciones de operación del gasificador se dispone de 4 termopares distribuidos a lo largo del reactor que cubren las 4 zonas diferenciadas del mismo: secado, pirólisis, oxidación y reducción (Di Blasi, 2000). La alimentación se realiza por cargas mediante dos válvulas de tajadera que se abren alternativamente y permiten mantener la estanqueidad del equipo, mientras que la salida de cenizas por la parte inferior del gasificador se realiza con una parrilla excéntrica y un tornillo sin fin.
Una fracción del gas de gasificación generado se desvía hacia un sistema de limpieza para la eliminación de condensables y acondicionamiento del gas, diseñado para trabajar con 10 Nm3/h de gas y consta de un lavador húmedo o scrubber, tipo torre de pulverización con dos pulverizadores de agua que suministran un caudal de 15 l/min. En este primer equipo se refrigera parcialmente el gas y se eliminan parte de los productos condensables, así como pequeñas partículas que no hubieran sido retiradas en el ciclón del propio gasificador. Este gas, saturado en agua, se envía a un enfriador de 1300 frigorías, donde se condensa parte del agua que satura el gas, evitando de esta manera que condense con posterioridad, obstruyendo la entrada del gas al motor. El gas frío y seco se alimenta directamente al motor con un sistema de regulación de válvula para variar el caudal de gas. Este sistema se ha diseñado pensando en minimizar las pérdidas de carga que pueda sufrir el gas antes de su alimentación al motor y, para compensar estas pérdidas se colocó una pequeña soplante que impulsa el gas por todo el sistema de limpieza.
El motor elegido ha sido un motor Honda comercial de 4 tiempos y 270 cc de cilindrada, que puede trabajar tanto con gasolina como con gas y al que no se ha efectuado ninguna modificación para su utilización, conectado a un generador eléctrico de corriente alterna de potencia nominal 4.000 VA de corriente alterna de 230 V y 50 Hz de frecuencia. Anteriormente a este trabajo, se habían realizado experimentos en banco de pruebas con un motor similar, sin generador eléctrico y con un gas sintético de bajo poder calorífico (Muñoz y cols. 2000), para comprobar si el bajo PCI previsible del gas de gasificación era compatible con este tipo de motores.
2. Experimentos Realizados
Con el sistema experimental descrito, se han efectuado tres tipos de experimentos: ensayos únicamente de gasificación sin conexión a motor, utilizando cáscara de almendra como biomasa a gasificar y trabajando con distintos caudales de gasificación; ensayos de caracterización del motor con combustibles convencionales (gasolina y GLP); y ensayos de gasificación y generación de energía eléctrica con motor simultáneamente, trabajando a caudal constante y con dos tipos de biomasa: cáscara de almendra y poda de olivo.
3. Resultados
3.1. Ensayos de gasificación con cáscara de almendra
En estos experimentos se trabajó con distintos caudales de aire, para ver su efecto en las características de operación del equipo y en las características del gas obtenido. El resumen de estos ensayos se presenta en las tablas 1 y 2, donde se muestran los resultados de gasificación de almendra de una operación que se extendió por un periodo de 6 horas, indicando la composición del gas, el poder calorífico inferior (PCI) de dicho gas, y las condiciones de temperaturas en las que operaba el gasificador. La composición del gas obtenido en la gasificación y su evolución con el caudal de aire de gasificación se muestran de forma gráfica en la figura 1.
Como se aprecia por estos resultados, los componentes principales del gas obtenido en el proceso de gasificación de la almendra, al margen del nitrógeno introducido con el aire de gasificación, son hidrógeno, metano y el monóxido de carbono, como principales compuestos combustibles, junto con pequeñas contribuciones de hidrocarburos ligeros como el etileno, y también un porcentaje significativo de un producto no combustible como el dióxido de carbono. También se puede apreciar la escasa influencia del caudal de aire de gasificación en la composición del gas, no pudiéndose determinar una tendencia clara en cuanto a los productos obtenidos, aunque parece inferirse un incremento del poder calorífico del gas conforme se incrementa igualmente el caudal de aire.
3.2. Ensayos como motor y combustibles convencionales
Se han efectuado ensayos con el grupo motogenerador para caracterizar su comportamiento frente a combustibles convencionales y poder establecer comparativamente el rendimiento cuando se utiliza gas de bajo poder calorífico como el obtenido en el proceso de gasificación. Los combustibles empleados han sido gasolina sin plomo de 95 octanos comercial, y gas butano comercial que se suministra en el ámbito doméstico. Se ha analizado la evolución de voltaje de la corriente eléctrica obtenida, intensidad, frecuencia de la corriente, revoluciones del motor, temperatura de los gases de escape y consumo de combustible en función de la distinta carga aplicada al grupo generador. La carga a la que se somete el motor se ha variado aplicando resistencias eléctricas de 87 ohmios, conectadas en paralelo, al grupo generador. Los resultados obtenidos se muestran en las tablas 3 y 4.
De forma gráfica se muestran en las figuras 2, 3 y 4 la comparación del comportamiento del grupo generador con los dos combustibles ensayados. Los resultados obtenidos con los dos combustibles muestran un comportamiento muy similar en cuanto al régimen de giro del motor y consumo másico de combustible, variando algo más las temperaturas de salida de los gases de escape, que resultan menores en el caso de la utilización de gas butano, lo que se traducirá en un menor desgaste mecánico del equipo. En cualquier caso, el funcionamiento con los dos combustibles mantuvo una gran estabilidad en todo el régimen de utilización. Considerando unos valores promedio de poder calorífico inferior (PCI) de 43800 J/g para la gasolina y 45700 J/g para el gas butano comercial, los rendimientos con ambos combustibles se sitúan con valores máximos por debajo del 20 % de aprovechamiento energético, es decir, relación de la energía eléctrica obtenida con la energía que se obtiene por combustión del combustible.
3.3. Ensayos de gasificación y generación de energía con motor
Se han realizado ensayos de gasificación y generación simultánea de energía con el grupo motogenerador utilizando dos tipos de biomasa, cáscara de almendra y poda de olivo. Para cada una de ellas se ha determinado las características del gas generado, tanto en composición como en cuanto al contenido a materias condensables o alquitranes antes y después de la limpieza con el sistema diseñado. Estos resultados se han obtenido trabajando con un caudal de aire de 200 Nm3/h.
Al igual que con los ensayos realizados con motor y combustibles fósiles, se ha analizado la evolución de distintos parámetros con la carga aplicada como: voltaje de la corriente eléctrica obtenida, intensidad, frecuencia de la corriente, revoluciones del motor y temperatura de los gases de escape. Sin embargo, no ha sido posible determinar el consumo de gas en función de la distinta carga aplicada al grupo generador ya que el orificio medidor utilizado como elemento para determinar el caudal de gas, induce una pérdida de presión en la línea de alimentación al motor que limita la alimentación de gas al motor y provoca una gran inestabilidad en el funcionamiento del mismo incluso cuando no se aplica ninguna carga.
Se muestran en la Tabla 5 los resultados normalizados obtenidos para el gas generado en la gasificación de la cáscara de almendra, usando un caudal de aire de gasificación: 200 Nm3/h. El contenido en condensables del gas ha sido, antes del proceso de limpieza de 291,59 g/Nm3 y después del proceso de limpieza de10,09 g/Nm3. Como se puede apreciar, tanto la composición como el poder calorífico se mantienen en valores bastante estables, con un perfil de temperatura muy acusado dentro del gasificador y con temperaturas relativamente altas en la zona de reducción y muy parecidas a las temperaturas alcanzadas donde se inyecta el aire de gasificación y tiene lugar la oxidación parcial de la biomasa.
En cuanto al contenido en materias condensables (agua y alquitranes), se observa una elevada cantidad de estos productos obtenidos simultáneamente en la gasificación, y la eficacia del proceso de limpieza que consigue rebajarlos al nivel del 3,5 % del contenido inicial. Las condiciones de trabajo del sistema de limpieza han sido: Tª entrada del gas: 185 ºC, Caudal de agua de limpieza: 15 l/min, Tª de salida del gas de la torre de pulverización de agua: 35 ºC, Tª de salida del gas del enfriador-secador: 15 ºC. Pese a la eficacia del sistema de limpieza del gas, después de operar durante un periodo de varias horas, en el motor se observan condensaciones de materia alquitranosa a la entrada del mismo, lo que obligaría, para operaciones en continuo, a reducir todavía más el contenido en condensables.
El gas obtenido, una vez ha pasado por el sistema de limpieza, se alimenta al grupo motogenerador, siendo los resultados obtenidos para distintas cargas los que se reflejan en la Tabla 6. Conforme se somete al motor a una mayor carga, su funcionamiento se vuelve más inestable, disminuyendo el voltaje de la corriente eléctrica generada así como las revoluciones de giro del motor, aumentando igualmente la temperatura de los gases de escape.
A continuación, en la Tabla 7, se muestran los resultados normalizados obtenidos para el gas generado en la gasificación de la poda de olivo, con un caudal de aire de gasificación de 200 Nm3/h.
El contenido en condensables del gas ha sido antes del proceso de limpieza de 187,66 g/Nm3 y después del proceso de limpieza de 0,76 g/Nm3. Tanto la composición como el poder calorífico se mantienen en valores bastante estables. El perfil de temperaturas en el gasificador es menos acusado que en el caso de la almendra y con unos valores de temperatura significativamente menores en las zonas de oxidación y reducción. Igualmente se observó una mayor pérdida de carga dentro del gasificador, debido principalmente al menor tamaño del material de la poda frente a la cáscara de almendra, lo que supone una mayor resistencia al flujo de gas.
Se observa, al igual que en el caso de la almendra, una elevada cantidad de condensables, aunque en menor cantidad (aproximadamente un 35 % menor) y, también al igual que el caso de la gasificación de cáscara de almendra, una elevada eficacia del proceso de limpieza del gas que consigue rebajarlos al nivel del 0,40 % del contenido inicial, es decir una eficacia del proceso de limpieza del 99,6 %. Las condiciones de trabajo del sistema de limpieza han sido: Tª entrada del gas: 197 ºC, Caudal de agua de limpieza: 15 l/min, Tª de salida del gas de la torre de pulverización de agua: 22,3 ºC, Tª de salida del gas del enfriador-secador: 16,1 ºC.
A diferencia del caso de la almendra, después de un periodo de operación de varias horas en continuo tanto del equipo de limpieza del gas, como del motor, no se aprecian condensaciones de materia alquitranosa en el sistema de alimentación del motor. El gas obtenido, una vez que ha pasado por el sistema de limpieza, se alimenta al grupo motogenerador, siendo los resultados obtenidos para distintas cargas los que se reflejan en la Tabla 8.
Conforme se somete al motor a una mayor carga, su funcionamiento se vuelve más inestable, disminuyendo el voltaje de la corriente eléctrica generada así como las revoluciones de giro del motor, aumentando igualmente la temperatura de los gases de escape. Cuando se conectan 5 resistencias, la potencia total generada disminuye, no pudiéndose obtener resultados con 6 resistencias ya que el motor no puede asumir tanta carga, bien por las características del gas, un bajo poder calorífico, o del sistema de alimentación que no permite alimentar tanto gas como sería necesario para mantener un régimen estable.
La comparación de los resultados obtenidos en la gasificación de los dos materiales se muestran en la figura 5. Como se puede apreciar la composición del gas obtenido es muy similar para las dos biomasas, pese a la sensible diferencia existente en cuanto al contenido en materia condensable que es aproximadamente un 35 % superior en el caso de la cáscara de almendra.
En cuanto a la comparación de los resultados obtenidos con el grupo motogenerador con los gases de gasificación de los dos materiales se muestran en las figuras 5, 6, 7 y 8.
Como diferencias más significativas en cuanto al comportamiento del gas obtenido con las dos biomasas se observa la obtención de una mayor potencia máxima para el caso del gas procedente de la gasificación de la cáscara de almendra, así como también una mayor temperatura de los gases de escape y un funcionamiento más estable en cuanto al régimen de giro del motor, más cercano a las 3000 rpm en el intervalo de potencia estudiado, lo que proporciona junto con unos mayores niveles de voltaje, una frecuencia de la corriente eléctrica generada más próxima a los 50 Hz de la corriente comercial.
Para los dos materiales se observa que, conforme se incrementa el número de resistencias (la carga a la que se somete al grupo motogenerador) hay una disminución progresiva tanto del régimen de giro, como del voltaje, y un progresivo incremento de la temperatura de los gases de escape, lo que se traduce en un menor rendimiento energético por las pérdidas asociadas con esos gases de escape.
Si se compara los resultados obtenidos en la generación con gas de gasificación y con combustibles convencionales como gasolina o butano se obtiene la figura 9, en la que se puede apreciar que la curva de potencia es muy similar para bajas cargas, para posteriormente estabilizarse en valores ligeramente menores para la cáscara de almendra y algo menores todavía para la poda de olivo, que con combustibles convencionales. Esto puede ser debido a un sistema de alimentación de gas al motor incapaz de suministrar el gas necesario para el funcionamiento a altas cargas. En cualquier caso se demuestra la viabilidad de la utilización de la gasificación de biomasa como alternativa frente a otros combustibles para la generación de energía eléctrica en motores alternativos de combustión interna como el utilizado en este proyecto.
4. Conclusión
Como resultado de este trabajo se ha podido comprobar la viabilidad en la utilización de dos biomasas como cáscara de almendra y poda de olivo en la generación de energía eléctrica de una forma estable y continuada utilizando un motor alternativo de combustión interna que se alimenta con el gas obtenido en la gasificación de esos dos productos en un gasificador tipo downdraft, previa la limpieza y acondicionamiento a temperatura adecuada de dicho gas.
Comprobado el funcionamiento del sistema diseñado y construido, las líneas futuras de investigación pasan por analizar la posibilidad de utilizar otros materiales como orujo, paja, poda de vid, etc.; mejorar la eficacia del sistema de limpieza del gas cuando la biomasa utilizada así lo requiera, como sería el caso de la cáscara de almendra, para eliminar en mayor medida las materias condensables y permitir el funcionamiento del sistema durante periodos de tiempo continuados, así como mejorar el sistema de alimentación de gas al motor para permitir la regulación y medida del caudal de gas suministrado.
Agradecimientos
Los autores del trabajo desean agradecer al Gobierno de Aragón la ayuda prestada para la realización del proyecto (REF P125/2001) ayuda financiada por el Fondo Social Europeo. Los autores de Brasil agradecen a la FAPESP (Proc. # 98/15448-5, 01/10841-5 y 01/08152-7).
Referencias
[1] P. GARCÍA, R. BILBAO, J. ARAUZO, M.L. SALVADOR; Scale-up of downdraft moving-bed gasifiers (25-300 kg/h - Desing, experimental aspects and results; Bioresource Technologi,; 48 (3), pp. 229-235; 1994.
[2] C. DI BLASI; Dynamic behaviour of stratifed downdraft gasifers; Chem. Eng. Sci.; 55; pp. 2931-2944; 2000.
[2] M. MUÑOZ, F. MORENO, J. MOREA-ROY, J. RUIZ, J. ARAUZO; Low heating value gas on spark ignition engines; Biomass and Bioenergy; 18; pp. 431-439; 2000